人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常接觸到的材料按照傳統(tǒng)理論可以分為金屬，絕緣體和介于兩者之間的半導(dǎo)體。近年來(lái)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種超越這種傳統(tǒng)分類(lèi)的新型量子材料—拓?fù)浣^緣體。這種材料擁有和傳統(tǒng)半導(dǎo)體一樣的體態(tài)能隙，但是在其表面／邊界有著被對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的特殊量子態(tài)。這些特殊的量子態(tài)能夠無(wú)耗散的傳遞自旋信息，因此為自旋電子學(xué)應(yīng)用提供了絕佳的材料體系。量子自旋霍爾效應(yīng)是拓?fù)浣^緣體特性在二維的一種表現(xiàn)方式。目前已知的量子自旋霍爾材料的體態(tài)能隙均小于30meV，因而極大地限制了這些體系作為室溫自旋電子學(xué)材料的應(yīng)用。

近日，由德國(guó)維爾茲堡(Würzburg)大學(xué)和上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李剛教授組成的科學(xué)團(tuán)隊(duì)在尋找寬帶隙量子自旋霍爾材料方面取得了重大進(jìn)展，理論預(yù)言并實(shí)驗(yàn)證實(shí)于碳化硅襯底上生長(zhǎng)的鉍烯（單層鉍形成的蜂窩狀二維晶格）可以實(shí)現(xiàn)拓?fù)淠芟陡哌_(dá)0.8eV的量子自旋霍爾效應(yīng)，2017年7月21日，成果以“Bismuthene on a SiC substrate: A candidate for a high temperature quantum spin Hall material”為題，發(fā)表于國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Science》上。我校李剛教授作為共同第一作者承擔(dān)了所有理論計(jì)算和大部分理論工作，上科大是合作單位之一。這是繼在馬約拉納費(fèi)米子方面（http://www.nk41tiy.xyz/news/20170722/926.html）取得重大進(jìn)展后，我校教師參與的在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域上的又一重要成果。

在此次研究中，科學(xué)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中成功制備了高純度的單層鉍膜，并利用碳化硅(SiC)襯底對(duì)其應(yīng)力調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了理論上預(yù)言的寬帶隙半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。角分辨電子譜(ARPES)測(cè)量得到價(jià)帶頂處的能級(jí)劈裂，及掃描隧道顯微鏡(STM)觀(guān)測(cè)到的一維邊界上的量子拓?fù)鋺B(tài)，均與理論預(yù)言高度符合。此項(xiàng)工作有別于其他研究的一個(gè)重要特點(diǎn)就是采用了絕緣襯底，這使得拓?fù)溥吔鐟B(tài)與體態(tài)完美分離，為對(duì)邊界態(tài)自旋的直接操控提供了一個(gè)近乎完美的工作環(huán)境。此項(xiàng)工作的另外一個(gè)重要特點(diǎn)，是通過(guò)對(duì)該體系電子結(jié)構(gòu)的分析，深刻的揭示出了鉍烯擁有寬拓?fù)淠芟兜脑?。研究發(fā)現(xiàn)，與具有相同結(jié)構(gòu)的石墨烯不同，鉍烯的費(fèi)米面由鉍的σ軌道占據(jù)，較大的拓?fù)淠芟秮?lái)自于σ軌道的局域自旋軌道耦合；同時(shí)采用原子序數(shù)較大的鉍原子也使得拓?fù)淠芟哆M(jìn)一步增大。該工作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的自旋電子學(xué)材料提供了指導(dǎo)性原則。

這一重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)不僅使我們朝實(shí)現(xiàn)室溫自旋電子學(xué)應(yīng)用又前進(jìn)了一步，而且通過(guò)對(duì)量子態(tài)的操作，這種材料可以比傳統(tǒng)材料更快、更多地傳遞信息，因而可能對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算技術(shù)提供革命性的改進(jìn)，進(jìn)一步推動(dòng)量子計(jì)算的發(fā)展。

論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/357/6348/287

在鉍烯的邊界上自旋輸運(yùn)可以免受背散射的干擾，它因此提供了一種以自旋為基礎(chǔ)的無(wú)耗散數(shù)據(jù)傳輸模式。

(A)理論計(jì)算得到的價(jià)帶頂能帶劈裂與實(shí)驗(yàn)測(cè)量(B,C)結(jié)果高度符合；

(D)實(shí)驗(yàn)上在離邊界不同位置上測(cè)量得到的dI/dV曲線(xiàn)顯示出邊界上存在明顯的邊界態(tài)。

(A)鉍烯的費(fèi)米面主要由Bi的p_x，p_y軌道組成。由它們構(gòu)成的有效模型可以完美解釋(B)沒(méi)有自旋軌道耦合時(shí)K點(diǎn)處的Dirac錐結(jié)構(gòu)；(C)局域自旋軌道耦合導(dǎo)致的寬拓?fù)淠芟叮?D)Rashba作用導(dǎo)致的價(jià)帶頂能級(jí)劈裂。